精密測量正在擴展到需要越來越高功率效率的應用領域。隨著物聯(lián)網的出現(xiàn)，對具有精確測量功能的無線傳感器節(jié)點、電池供電的可穿戴健身/醫(yī)療設備以及使用隔離電源、4 mA 至 20 mA 環(huán)路供電或電池供電現(xiàn)場儀表的工業(yè)信號鏈的需求日益增加。在這些情況下，更高的電源效率意味著更長的電池壽命和更少的維護以及簡化的電源設計。

通常，精密測量系統(tǒng)使用低壓差穩(wěn)壓器（LDO）作為其電源方案的一部分，為精密ADC產生低噪聲電源軌。然而，LDO在供電方面可能非常低效，而且大部分功率通常在LDO中損失，以熱量的形式消散。本文討論一種為精密逐次逼近寄存器（SAR）ADC實現(xiàn)更高效率電源解決方案的方法。這是通過在遲滯模式下使用超低功耗開關穩(wěn)壓器并分析性能權衡來實現(xiàn)的，包括智能控制開關穩(wěn)壓器與SAR轉換同步以提高噪聲性能的方法。

固定頻率或脈寬調制 （PWM） 開關穩(wěn)壓器提供了一種非常有效（通常為 >90%）的方法，可在中高負載電流（數(shù)百 mA 至多個 A）下在測量系統(tǒng)中生成電壓軌。然而，這種效率是以開關紋波為代價的，開關紋波通常處于數(shù)百kHz至幾MHz的固定頻率。如圖1所示，典型精密SAR ADC的電源抑制比（PSRR）在高達~100 kHz的低頻下非常好，除此之外，PSRR會迅速下降。

圖1.SAR ADC模擬電源抑制與頻率的關系

為 V 供電的典型負載電流DD精密SAR ADC的線路在幾mA范圍內，如果ADC以較低的吞吐量運行，則為μA，因此使用固定頻率開關直接為ADC供電而不是LDO沒有效率優(yōu)勢。

然而，高效率、超低功耗降壓型開關穩(wěn)壓器可以在遲滯模式下工作，靜態(tài)電流非常低。

在遲滯模式下，穩(wěn)壓器通過調節(jié)恒定峰值電感電流，用PWM脈沖對略高于其標稱輸出電壓的輸出電壓進行充電。當輸出電壓增加直到輸出檢測信號超過遲滯上限閾值時，穩(wěn)壓器進入待機模式。在待機模式下，高端和低端MOSFET以及大多數(shù)電路被禁用，以允許低靜態(tài)電流和高效率性能，如圖2所示。在待機模式下，輸出電容向負載提供能量，輸出電壓降低，直到降至遲滯比較器下限以下。穩(wěn)壓器喚醒并產生PWM脈沖以再次為輸出充電。

圖2.PWM（頂部）和遲滯模式（底部）—效率與負載電流的關系。

在遲滯情況下，開關紋波頻率是負載電流和LC網絡的函數(shù)，對于幾mA的負載，則在kHz范圍內。在幾kHz時，精密ADC的PSRR非常好，可以很好地抑制/衰減ADC數(shù)字輸出端的開關紋波。

以圖3所示采用AD7980 ADC的電路為例;其VDD全吞吐量（1 MSPS）下的電流消耗典型值為5.1 mA，并隨著吞吐量的降低而線性擴展。如圖4所示，開關頻率紋波為4.5 kHz，峰峰值為50 mV，采用2 V電源軌，采用5.5 V穩(wěn)壓輸出。該紋波在ADC數(shù)字輸出端被ADC的PSRR額定值衰減。在ADC FFT輸出中，它在120.4 kHz時顯示為?5 dBFS幅度的雜散。對于ADC上的5 V輸入范圍，這相當于

圖3.AD7980和ADP5300應用電路

圖4.ADP5300遲滯開關紋波（交流耦合），為AD7980供電時，ADC FFT輸出中的紋波音為1 MSPS吞吐量。

對于16位轉換器來說，ADC輸出中顯示的紋波水平極低;5 μV峰峰值對應于0位時的07.16 LSB。該電平的紋波隱藏在ADC本底噪聲中，需要大量的平均才能發(fā)現(xiàn)它，在許多應用中都看不到。該輸出紋波對應于 PSRR

該測量結果類似于圖1所示的AD7980 PSRR，在77.4 kHz時為~5 dB。

如果ADC吞吐量降至10 kSPS，則ADC的電流消耗線性下降至15 μA（系數(shù)為~100），相應地，ADP5300的開關頻率紋波將降至46.5 Hz（系數(shù)為~100），峰峰值幅度為55 mV，如圖5所示。紋波再次出現(xiàn)在46 Hz的ADC FFT輸出中，幅度為?120 dB（峰峰值為5 μV），因為PSRR在此頻率下相似。有證據(jù)表明，在93 Hz處的二次諧波下降為?125 dB。

圖5.ADP5300遲滯開關紋波（交流耦合），為AD7980供電時，ADC FFT輸出中的紋波音為10 kSPS吞吐量。

圖6顯示了從5300 V電源軌調節(jié)2.5 V輸出時，ADP5的效率與LDO的效率在ADC吞吐速率范圍內是如何疊加的。如您所料，開關穩(wěn)壓器在提供功率方面的效率遠高于LDO，在90 MSPS時為50%和5%（對于1 V輸入），并且在較低的ADC吞吐速率/較低電流消耗下保持得更好，在80 kSPS之前保持在5%以上。

圖6.ADP5300和LDO的效率與ADC吞吐速率的關系

當使用LDO的ADC吞吐量為1 MSPS時，5 V電源軌消耗的電流為1.5 mA或7.5 mW。使用ADP5300時，5 V電源軌消耗的電流為828 μA或4.1 mW。ADC電源消耗的功耗降低了3.4 mW或45%。

AD7980在1 MSPS下的性能，采用ADP5300作為VDD電源如圖7所示，具有10 kHz近滿量程輸入信號（?0.5 dB）。該ADC仍符合數(shù)據(jù)手冊中的SNR （91.5 dB）和THD （?103 dB）規(guī)格。但是，ADP5300在4.5 kHz處的開關紋波在輸入信號頂部被調制，在10 kHz – 4.5 kHz （5.5 kHz）和10 kHz + 4.5 kHz （14.5 kHz）時顯示為雜散。這些雜散仍處于非常低的水平（?116 dBFS），遠低于基波信號二次諧波引入的THD（103 kHz時?8.20 dBFS）。這些偽像只是16位LSB的一小部分，因此在許多應用中，ADP5300穩(wěn)壓器的節(jié)能是完全可以接受的。

圖7.采用ADP7980作為V的AD5300的性能DD供應。在基波信號（10 kHz ±4.5 KHz）周圍可以看到開關紋波調制引起的邊帶。

ADP5300開關穩(wěn)壓器具有停止開關功能，可完全消除ADC FFT輸出中出現(xiàn)的這些開關紋波偽像。ADP5300上的STOP引腳可防止SW引腳在STOP保持高電平時切換。這可用于防止在ADC的噪聲敏感轉換過程中發(fā)生任何開關。為了實現(xiàn)這一點，CNV信號和STOP信號連接在一起（見圖3），來自處理器的CNV信號在ADC的轉換時間內定時保持高電平。對于AD7980，最大值為710 ns，轉換在CNV上升沿啟動。結果如圖 8 所示。在這種情況下，紋波頻率變化更大，因為只有特定的時間SW節(jié)點可以打開和調節(jié)。另請注意，從STOP信號變?yōu)榈碗娖降腟W導通時間可能為數(shù)百ns。在圖8中，SW引腳在STOP下降沿后導通~850 ns。這意味著我們不能在1 MSPS ADC吞吐量下使用STOP功能作為VDD電源將脫離調節(jié)并崩潰，因為SW引腳沒有足夠的時間升高并調節(jié)。相反，STOP 函數(shù)適用于 500 kSPS 及以下的吞吐量。

圖8.ADP5300開關紋波（黃色），具有500 kSPS吞吐量時的STOP功能，CNV/STOP信號（藍色）和ADP5300的SW引腳（粉紅色）。

如圖9所示，通過使用STOP信號，ADC本底噪聲完全消除了開關紋波雜散。當施加10 kHz的輸入信號時，除了正常的諧波外，基波周圍沒有調制或偽影。但是，當SW引腳被禁用（STOP高電平）時，由于SW引腳上的振鈴，使用STOP功能會降低效率。ADC吞吐速率為5300 kHz的ADP500的效率降至~75%。這仍然遠高于LDO可能的效率（<50%），并且提供了在處理器/微控制器控制下的應用中如果對STOP功能使用單獨的控制線，則可以在功耗/性能之間進行權衡。

圖9.采用ADP7980作為V的AD5300的性能DD具有定時到轉換周期的停止功能的電源。

ADP5300等開關穩(wěn)壓器解決方案的成本和PCB面積可與LDO相媲美。BOM的主要補充是片式電感器，2.2 μH電感可以小至0603尺寸，LDO解決方案已經需要輸入和輸出電容。這使其成為在功耗敏感型應用中使用LDO的有吸引力的替代方案，而不會顯著影響精度性能。

采用5300 V電源軌為AD45等精密ADC供電時，與LDO相比，ADP7980等高效、超低功耗開關穩(wěn)壓器可節(jié)省5%的功耗。這在物聯(lián)網應用中具有許多優(yōu)勢，可延長無線傳感器節(jié)點或可穿戴健身設備、功耗敏感型隔離工業(yè)系統(tǒng)以及 4 mA 至 20 mA 環(huán)路供電系統(tǒng)的電池壽命。

審核編輯：郭婷